Research of polarization properties of antenna based on magnetized gyromagnetic resonator with different volume resonators

Full Text

На основе подмагниченного гиромагнитного резонатора (ГР) возможно создание управляемых частотно-независимых СВЧ-антенн [1]. Несмотря на то, что ГР в таких антеннах является промежуточным звеном между возбуждающим СВЧ полем и открытым резонатором (ОР), основные свойства таких излучателей определяются подмагниченным ГР, а именно: создание вращающегося поля с эллиптической (а в осевом направлении с круговой) поляризацией; электрическая коммутация направления вращения поля; высокая частотная избирательность; магнитная перестройка частоты поля излучения. Наиболее компактная конструкция излучателя на основе ГР показана на рис. 1. Принцип действия излучателей на основе подмагниченного ГР основан на следующих физических процессах: возбуждение полем фидерной линии процессии намагниченности сферического ГР; возбуждение в открытом резонаторе колебания квази-Е110 типа с вращающейся поляризацией через боковую поверхность ОР; излучение ОР во внешнее пространство электромагнитного поля с вращающейся поляризацией через боковую поверхность ОР. Математическая модель для расчета поля излучения в дальней зоне в цилиндрической системе (ρ, , z) координат представляет собой кольцо магнитного тока по боковой кромке ОР с плотностью где h - высота ОР; а - радиус ОР; δ - дельта функция Дирака; Ф() = . Магнитный ток через электрическое поле по кромке ОР, находится по формуле [1-2] . Рис. 1. Антенна на основе подмагниченного ГР: 1 - экран; 2 - ГР; 3 - стальной диск; 4 - плоский диэлектрический цилиндрический резонатор; 6 - магнитопровод; 7 - вкладыш из магнитодиэлектрика; 8 - подмагничивающая катушка с проводом Исходным уравнением для нахождения поля излучения является уравнение Гельмгольца для магнитного потенциала: где - волновое число в вакууме. Решением уравнения Гельмгольца является следующее выражение (1) выражения для составляющих электрического поля, найденные по формуле (1), найденные в сферической системе координат (r, θ, ) [1-2], записываются в виде: (2) откуда амплитудную характеристику диаграммы направленности можно представить следующей формулой: (3) В формуле (3) введены следующие обозначения:, F(θ,) - амплитудная диаграмма направленности; w = ka sin θ ; - функция Бесселя первого рода, первого порядка. Диаграмма направленности антенны, рассчитанная по формуле (3) в пространстве имеет вид, показанный на рис. 2. Рис. 2. Объемный вид амплитудной характеристики направленности Из рис. 2 видно, что в азимутальной плоскости (по), диаграмма направленности представляет круг и поэтому интересно распределение поля излучения по координате θ. Предлагаемая антенна имеет большой интерес с точки зрения поляризационных характеристик, которые описываются нормированным вектором поляризации или векторной поляризационной характеристикой : где и поперечные составляющие вектора поляризации в дальней зоне. Рис. 3. Экспериментальная поляризационная характеристика антенны на основе ГР Эллипс поляризации, измеренный в дальней зоне, на конструкции антенны, изображенной на рис. 1, показан на рис. 3. Составляющие вектора поляризации находятся по следующим формулам: Здесь введен коэффициент эллиптичности: , подставляя значения составляющих электрического поля по формулам (2), получим Рис. 4. Зависимость модуля коэффициента χ от угла наблюдения θ Зависимость модуля коэффициента эллиптичности от угла наблюдения θ в радианах представлена на рис. 4. На рис. 5 показано, как меняется коэффициент эллиптичности в пространстве от точки приема сигнала. Рис. 5. Изменения эллипса излучения от угла наблюдения Были проведены экспериментальные измерения параметров излучения (в том числе, коэффициента эллиптичности) для антенны на основе подмагниченного ГР с различными типами ОР. Типы исследуемых ОР, показаны на рис. 6. Рис. 6. Исследуемые типы ОР: а) ОР с диэлектрическим основанием и плоским металлическим диском; б) ОР с ферритовым основанием и плоским металлическим диском; в) ОР с ферритовым основанием и плоским круглым металлическим кольцом; г) ОР с диэлектрическим основанием и металлическим излучателем типа «стакан» Схема измерения характеристик излучателя приведена на рис. 7. Коэффициент усиления измерялся абсолютным методом на основе рупорной антенны (с известным коэффициентом усиления) [2]. Погрешность измерений не превышает 5%. Измерения показали следующие характеристики для излучателей с ОР, показанных на рис. 6а;б - коэффициент усиления 1,6…1,8; КПД 0,5…0,6; коэффициент эллиптичности 0,8…0,9; полоса магнитной перестройки центральной частоты излучения а) 250…270 МГц, б) 350…400 МГц; в) - коэффициент усиления 1,4…1,6; КПД 0,7…0,8; коэффициент эллиптичности 0,9…0,95; полоса магнитной перестройки центральной частоты излучения 550…500 МГц; г) - коэффициент усиления 2,4…2,6; КПД 0,7…0,8; коэффициент эллиптичности 0,75…0,8; полоса магнитной перестройки центральной частоты излучения 200…250 МГц. Рис. 7. Блок-схема измерения характеристик антенны: 1 - генератор СВЧ (Г4-83); 2-короткозамкнутый прямоугольный волновод; 3- ГР в запредельном круглом отверстии волновода; 5 - магнит; 5 - изучаемый ОР; 6 0 приемная рупорная антенна с детекторной головкой и поворотным устройством; 7 - измерительный усилитель У2-8 Таким образом, несмотря на определяющую роль ГР в формировании излучения рассматриваемых антенн, подбором определенного типа ОР можно в широких пределах варьировать параметры излучения антенн на основе подмагниченного ГР. Поляризационные характеристики излучателей на основе ГР можно использовать для создания измерителей коэффициента поляризации и направления вращения векторов поля, а также, помещая сбоку ОР переменное магнитное поле, можно модулировать коэффициент эллиптичности поля излучения.

About the authors

Alexander Anatolievich Soldatov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Leonid Didimovich Lozhkin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: leon.lozhkin@yandex.ru

References

Supplementary files